Arduino Nano 33 BLE 气象站

内容介绍

Part1 自我介绍

很有幸参与到这次Digi-key和硬禾学堂联合举办的这次开发板体验活动。我叫Argon，来自浙江杭州是一名从事物联网行业）的嵌入式网络工程师。从大学开始就对微电子充满了兴趣，在闲暇的时间也会利用手头的元器件自己搭建一些好玩的DIY产品。

Part2 硬件介绍

本期使用的开发板是Arduino Nano 33 BLE Sense ,这款开发板板载了丰富的传感器外设并且支持Arduino语法编程，并且这款开发板支持TinyML进行简单的机器学习，非常适合作为方案选型验证。

Part3 设计思路任务分析

利用NANO-33 BLE的传感器, 搭建一个小型环境监测站用于监测户外环境。待监测的参数包括:

周边环境温度（精度：±0.1°C, ±0.1°F）
周边环境湿度（精度：±1%）
大气压强（精度：±0.1kPa, ±0.1psi）
日照强度（用于判断白天/夜晚）
周边平均噪声（精度：±1dB）

任务拆解

任务可以拆解为以下几个部分：

环境搭建，安装所需的编译器，下载所需的资料
编写各个外设部分的驱动
U8g2屏幕显示驱动的移植
音频数据处理和解析
简单UI的绘制

Part4 部分功能代码

MIC部分

因为MP34DTO5传感器采集输出的为瞬时音量大小，因此需要通过音量计算将其转换为分贝。转换代码如下：

/**
* @brief: 音频初始化
* @param: none
* @retval: none
*/
void vPDM_init()
{
 // Configure the data receive callback
 PDM.onReceive(onPDMdata);

 // Optionally set the gain
 // Defaults to 20 on the BLE Sense and -10 on the Portenta Vision Shield
 // PDM.setGain(30);

 // Initialize PDM with:
 // - one channel (mono mode)
 // - a 16 kHz sample rate for the Arduino Nano 33 BLE Sense
 // - a 32 kHz or 64 kHz sample rate for the Arduino Portenta Vision Shield
 if (!PDM.begin(1, 16000)) {
#if SERIAL_DEBUG        
   Serial.println("Failed to start PDM!");
#endif    
}
}

/**
* @brief: 获取音频数据
* @param: none
* @retval: 音频分贝
*/
unsigned int uiGet_PCM_data()
{
   unsigned int data = 0;
   if (pdmSize) {
   //   Serial.println(PCM2DecibelRMS(pdmBuffer, pdmSize));
       data = PCM2Decibel(pdmBuffer, pdmSize);
#if SERIAL_DEBUG          
       Serial.print("PCM data:");
       Serial.println(data);
#endif        
       pdmSize = 0;
  }
   else
  {
       data = 0;
  }

   return data;
}


void onPDMdata() {
 int bytesAvailable = PDM.available();
 PDM.read(pdmBuffer, bytesAvailable);
 pdmSize = bytesAvailable / 2; // 16-bit, 2 bytes per sample
}


/**
* Reference: https://en.wikipedia.org/wiki/Decibel
* @param pcmData
* @param pcmSize
* @return
*/  
int PCM2DecibelRMS(const short *pcmData, size_t pcmSize) {  
   int decibel = 0;  
   double sum = 0;
   for(int i = 0; i < pcmSize; i++) {  
       sum += pcmData[i] * pcmData[i]; //sum of values square
  }  
   return (int)(10 * log10(sum / (pcmSize * 32768 * 32768)));  //10*log10(RMS), root mean square
}

int PCM2Decibel(const short *pcmData, size_t pcmSize) {  
   int decibel = 0;  
   double sum = 0;
   for(int i = 0; i < pcmSize; i++) {  
       sum += abs(pcmData[i]); //sum of values
  }  
   return (int)(20.0 * log10(sum / pcmSize));  
}

光强部分

光照强度采用了距离传感器APD9960进行获得，该传感器实际得到的为GRB三个的采样值，需要对其进行混光处理计算出实际的白光亮度，详细实现代码如下：

unsigned int uiGet_Bright() //获取亮度值
{
   int r, g, b;
   unsigned int ret = 0;
   while (!APDS.colorAvailable())
  {
       delay(5);
  }
   APDS.readColor(r, g, b);

#if SERIAL_DEBUG  
   // print the values
   Serial.print("r = ");
   Serial.println(r);
   Serial.print("g = ");
   Serial.println(g);
   Serial.print("b = ");
   Serial.println(b);
   Serial.println();
#endif
   ret = uiRGB2Bright(r, g, b);
#if SERIAL_DEBUG      
   Serial.print("bright = ");
   Serial.println(ret);
#endif    
   return ret;
}

unsigned int uiRGB2Bright(int r_val, int g_val, int b_val)
{
   int Y;
   Y = ((r_val * 299) + (g_val * 587) + (b_val * 114)) / 1000;
   return Y;
}

压力部分

压力传感器采用的LPS22HB，该传感器可以实时测定大气压强并且Arduino已经对其进行了库函数封装直接调用即可读取压强，详细代码实现如下：

void vGet_Press(float *press)
{
   float pressure = BARO.readPressure(PSI);

   *press = pressure;
#if SERIAL_DEBUG  
   // print the sensor value
   Serial.print("Pressure = ");
   Serial.print(pressure);
   Serial.println(" psi");

   // print an empty line
   Serial.println();
#endif
}

温湿度部分

温度湿度获取采用了一体化温湿度传感器HTS221，Arduino也对其接口进行了封装，因此直接读取即可，详细代码如下：

void vGet_Temp_Hum_Val(float *tem, float *hum)
{
   float temperature = HTS.readTemperature();
   float humidity = HTS.readHumidity();

   *tem = temperature;
   *hum = humidity;
#if SERIAL_DEBUG  
   // print each of the sensor values
   Serial.print("Temperature = ");
   Serial.print(temperature);
   Serial.println(" °F");

   Serial.print("Humidity   = ");
   Serial.print(humidity);
   Serial.println(" %");

   // print an empty line
   Serial.println();
#endif    
}

U8g2 显示部分

显示部分采用了ssd1306作为显示模块，在U8g2库中已经对ssd1306驱动进行了封装，因此我们只需要在使用的时候调用arduindo接口对其进行相应的实例化和初始化即可，部分代码如下所示：

/*OLED初始化 U8G2*/
U8G2_SSD1306_128X32_UNIVISION_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/U8X8_PIN_NONE); // Adafruit ESP8266/32u4/ARM Boards + FeatherWing OLED

void setup()
{
.........
  u8g2.begin();
   u8g2.enableUTF8Print(); // enable UTF8 support for the Arduino print() function
.........
}

/**
* @brief: OLED显示屏显示
* @param:[IN] page:显示页面
* @param:[IN] tem:温度数据
* @param:[IN] hum:温度数据
* @param:[IN] press:压强数据
* @param:[IN] bright:亮度数据
* @param:[IN] decibel:声音平均
* @retval: none
*/
void vDisplay_normal(unsigned char page,float tem, float hum, float press, unsigned int bright, int decibel)
{
   char line0_buf[128] = {0};
   char line1_buf[128] = {0};
   char line2_buf[128] = {0};
   if(page == 0)                                   //tem hum
  {
       sprintf(line0_buf,"tem: %.2f ",tem);
       sprintf(line1_buf,"hum: %.2f ",hum);
  }
   else if(page == 1)
  {
       sprintf(line0_buf,"press:");
       sprintf(line1_buf,"             %.2f ",press);        
  }
   else if(page == 2)
  {
       sprintf(line0_buf,"bright:");
       sprintf(line1_buf,"                   %d ",bright);        
  }
   else if(page == 3)
  {
       sprintf(line0_buf,"decibel:");
       sprintf(line1_buf,"                   %d ",decibel);        
  }

   u8g2.clearBuffer();                  // clear the internal memory
   
   u8g2.setFont(u8g2_font_tenfatguys_tf);  // choose a suitable font //https://github.com/olikraus/u8g2/wiki/fntlistall

   u8g2.drawStr(0, 15, line0_buf); // write something to the internal memory
   u8g2.drawStr(0, 30, line1_buf);
   u8g2.sendBuffer();                   // transfer internal memory to the display
}

代码初始化部分

在初始化部分需要对各个外设进行逐一的初始化，初始化代码如下：

void setup()
{
   // put your setup code here, to run once:

   //初始化声音传感器
   //PDM.onReceive(onPDMdata);
   //PDM.begin(1, 16000);

   //初始化串口
   Serial.begin(9600);
   while (!Serial)
      ;

   //麦克风音频初始化
   vPDM_init();

   //初始化温度湿度传感器
   if (!HTS.begin())
  { //HTS温湿度传感器初始化
#if SERIAL_DEBUG  
       Serial.println("Failed to initialize humidity temperature sensor!");
#endif // SERIAL_DEBUG  
       while (1)
          ;
  }
   //初始化气压传感器
   if (!BARO.begin())
  {
#if SERIAL_DEBUG          
       Serial.println("Failed to initialize pressure sensor!");
#endif
       while (1)
          ;
  }
   //初始化颜色传感器
   if (!APDS.begin())
  {
#if SERIAL_DEBUG          
       Serial.println("Error initializing APDS9960 sensor.");
#endif
  }

   u8g2.begin();
   u8g2.enableUTF8Print(); // enable UTF8 support for the Arduino print() function
}

遇到的问题

在项目中习惯性的使能了Arduino的串口，但是并没有使用串口，导致设备上电后必须要打开串口调试助手，串口初始化才能完成。初步怀疑是nano 33 BLE 板子上采用的是HID转TTL串口，因此此处将串口初始化屏蔽。

Part5 成果输出

视频：https://www.bilibili.com/video/BV11Q4y1o7cL/

代码：https://github.com/songzhishuo/FunPack_Arduino_Nano_33

Part4 心得体会

本期项目让我接触到了处理328p以外的其他arduino开发板，不得不赞叹Arduino生态的强大型。同时感谢@小乐提供的部分MIC音频转换代码。